Frischer Wind für Metall-Luftsauerstoff-Batterien – Was man von Lithium-Ionen-Batterien lernen kann

Für einen Umstieg von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energiequellen ist die Verfügbarkeit von Energiespeichern von essentieller Bedeutung. Eine der meistversprechenden Energiespeicher-Technologien ist das Metall-Luft-Batteriesystem, welches sich durch seine sehr hohe theoretische spezifische Energiedichten auszeichnet. Jedoch sind die praktisch realisierbaren Energiedichten deutlich niedriger, was auf eine stark limitierte Zyklenstabilität und eine geringe Kapazitätserhaltung zurückzuführen ist.

Dieses MeLuBatt-Teilprojekt wird die wichtigsten Herausforderungen auf der Ebene der Zellchemie angehen: Zum einen wird die Auswahl optimierter Redoxmediatoren zu einer Verringerung der Ladeüberspannung für Metall-Luft-Batterien führen und zum anderen wird die Sauerstoff-Redoxchemie im Elektrolyten und den Kathoden im Detail verstanden und optimiert werden. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit den Projektpartnern, sodass jeder Aspekt der Metall-Luft-Batterien neu beleuchtet und letztlich auch technologisch optimiert wird. Mit diesem Teilprojekt werden Degradationsprozesse gezielt verhindert und die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit derzeitiger Metall-Luft-Batteriesysteme deutlich erhöht.

Um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Metall-Luft-Batterien gezielt zu verbessern, werden die wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen aus verschiedenen Blickwinkeln betrachtet und bearbeitet, um so einen universellen Lösungsansatz bieten zu können.

Im Folgenden sind die für das hier beschriebene MeLuBatt-Teilprojekt wichtigsten Aufgabenbereiche herausgestellt:

• Die beim Laden von Metall-Luft-Batterien gewünschte Bildung von Sauerstoff aus Oxiden (bzw. Super- und Peroxiden) sollte bei möglichst geringen Ladeüberspannungen erfolgen, um konkurrierende Zersetzungsreaktionen zu minimieren und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Eine Möglichkeit, um dies zu erreichen, ist der Einsatz von sogenannten Redoxmediatoren. Die in der Wissenschaft diskutierten verschiedenen Redoxmediatorkonzepte werden hierfür zunächst eingehend validiert. Darauf basierend werden vielversprechende Redoxmediatoren auf die unterschiedlichen Ansprüche der anderen Batteriekomponenten hin optimiert und kanalisiert.

• Quantenchemische Überlegungen lassen erwarten, dass elektrochemisch entstehender Sauerstoff als elektronisch angeregter und sehr reaktiver Singulett-Sauerstoff entsteht oder entstehen kann. Hieraus leitet sich ab, diese Überlegungen durch gezielte Experimente zu verifizieren beziehungsweise einen direkten experimentellen Beweis für die Bildung von Singulett-Sauerstoff zu erbringen. Die Ausbildung von Singulett-Sauerstoff wird dann für die Ausarbeitung von wirksamen Schutzkonzepten einbezogen, um den Elektrolyten und die Kathode gegenüber dieser aggressiven Sauerstoffspezies schützen zu können.

• Die Bildung von Sauerstoff tritt im Falle von Lithium-Ionen-Batterien als schädliche Nebenreaktion an den Kathoden auf und muss vermieden oder zumindest gesteuert werden. Da die Mechanismen der Sauerstoffbildung auf molekularer Ebene vergleichbar sind (Oxidation von Gittersauerstoff zu molekularem Sauerstoff O2), existiert eine bisher übersehene Brücke zwischen Lithium-Ionen-Batterien und Metall-Luft-Batterien. Diese Synergie soll durch die gezielte Erforschung des Sauerstoffentwicklungsmechanismus genutzt werden, um sehr attraktive und anwendungsbezogene Schlüsse für Katalysatorkonzepte (im Falle der Metall-Luft-Batterien) einerseits und Schutzkonzepte (für Lithium-Ionen-Batterien) andererseits zu entwickeln.

Leistungsfähige und langlebige Metall-Luft-Batteriesysteme stellen eine ressourceneffiziente, alternative Energiespeicherungstechnologie dar und können daher dazu beitragen, die weltweit vereinbarten Klimaschutzziele zu erreichen.

Die Kombination der in diesem Teilprojekt erzielten Ergebnisse mit den Resultaten der anderen Projektpartner wird essentiell für die spätere Entwicklung von Materialien für Metall-Luft-Batterien sein. Insbesondere, da die fundamentalen Fragestellungen zu den derzeitigen Problemen der Metall-Luft-Batteriesysteme untersucht und verstanden werden sollen, ist es möglich grundlegende Verbesserungen und Konzepte zu erarbeiten, welche als Basis für neue Metall-Luft-Batteriesysteme dienen können.